1. ELEMENTE DE TEHNOLOGIA MATERIALELOR

Transcript

1 1. ELEMENTE DE TEHNOLOGIA MATERIALELOR 1.1. Introducere Tehnologia este ştiinţa care studiază transformările la care este supusă substanţa în procesul de lucru şi le aplică în vederea obţinerii produselor necesare societăţii în condiţii de fabricaţie optime [3.1]. Tehnologia este o ştiinţă aplicativă, deoarece urmăreşte un scop practic nemijlocit Prelucrarea prin deformare plastică Procedeele de prelucrare prin deformare plastică a materialelor metalice se pot clasifica după: Temperatura la care are loc deformarea: la rece şi la cald; După viteza de deformare: cu viteze mici de deformare v < m / s şi cu viteze mari de deformare v > m / s ; După calitatea suprafeţei realizate: eboşare, finisare; După complexitatea procedeelor folosite: intrinseci (ig ), complexe. PROCEDEE INTRINSECI DE PRELUCRARE PRIN DEORMARE PLASTICĂ Laminare; Tragere; Extrudare; Matriţare orjare; Tăiere cu tăişuri ascuţite; Prelucrarea tablelor ig

2 2 ELEMENTE DE TEHNOLOGIA MATERIALELOR -1 Laminarea este metoda de prelucrare prin deformare plastică la cald sau la rece la care materialul este obligat să treacă forţat printer doi cilindri în rotaţie (ig ). Cei doi cilindri au axele de rotaţie O 1 şi O 2. Dimensiunile materialului (h 0 ) se reduc în direcţia apăsării şi cresc în celelalte direcţii (de la b 0 la b 1 ). ig Tragerea este procedeul de deformare plastică a materialelor, sub acţiunea unei forţe de tracţiune, în scopul obţinerii unor fabricate de tip bară, sârmă, ţevi etc. Materialul ductil 2 este tras printr-o matriţă 1 a cărui secţiune este mai mică decât secţiunea iniţială a materialului. Principiul tragerii este prezentat în ig (d 0 dimensiunea materialului; d 1 dimensiunea produsului final) ig Extrudarea este procedeul de prelucrare prin deformare plastică care constă în tragerea forţată a materialului, datorită unei forţe de compresiune. Matriţa are o deschidere profilată şi de secţiune mai mică decât a materialului comprimat. Semifabricatul 1 este obligat să treacă prin matriţa 2 sub acţiunea forţei realizată de pistonul 3. Schema de principiu este prezentată în ig ig

3 1.2. Prelucrarea prin deformare plastică 3 În ig se prezintă profile utilizate în industria electronică şi obţinute prin extrudare. a) b) c) d) e) ig Îndoirea este operaţia de deformare plastică prin care se schimbă orientarea axei semifabricatului fără afectarea lungimii acestuia. Procesul de îndoire are loc cu ajutorul unui poanson care deformează semifabricatul prin apăsarea acestuia pe un suport cu profil adecvat.

4 4 ELEMENTE DE TEHNOLOGIA MATERIALELOR -1 În ig se prezintă procesul de prelucrare prin îndoire (semifabricatul 1 şi suportul 2) iar în ig , table profilate. ig ig Tablele sunt semifabricate care au una din dimensiuni (grosimea) mult mai mică decât celelalte două. Prelucrarea lor prin deformare plastică asigură obţinerea unor piese complexe cu forma apropiată de cea finală şi cu o mare economie de material. Îndoirea şi ambutisarea sunt două din metodele de prelucrare a tablelor cu aplicaţii în domeniul electronic. Ambutisarea este procesul tehnologic de prelucrare prin deformare plastică prin care, dintr-un semifabricat plan se obţine o piesă cavă cu sau fără modificarea grosimii materialului. Prin apăsarea poansonului 1, semifabricatul 4 este obligat să ia forma cavităţii matriţei 2 care coincide cu forma piesei dorite. Principiul ambutisării este prezentat în ig ig

5 1.4. Prelucrarea prin eroziune electrică Prelucrarea prin agregarea de pulberi Principial prelucrarea porneşte de la pulberi de metale. Pulberile sunt amestecate în proporţiile necesare, impuse de compoziţia chimică a aliajului dorit. Amestecul rezultat este presat la forma dorită în matriţe metalice. Comprimatele obţinute sunt supuse unui tratament termic adecvat care trebuie să îi confere produsului proprietăţile fizico-chimice dorite. Tratamentul termic este cunoscut sub numele de sinterizare şi se realizează la o temperatură inferioară temperaturii de topire a metalului cel mai refractar. Tratamentul se realizează într-o atmosferă protectoare, neutră sau în vid (ig ) ig Prelucrarea prin eroziune electrică Prelucrarea prin eroziune electrică se bazează pe efectul eroziv polarizat al unor descărcări electrice prin impuls, amorsate în mod succesiv între un electrod şi obiectul prelucrării. Schema de principiu a prelucrării dimensionale prin eroziune electrică este prezentată în ig Impuls electric Material dielectric Element erodat ig Prelucrarea prin eroziune cu plasmă, prin eroziune electrochimică, prin eroziune chimică, prin eroziune cu radiaţii sunt câteva din procedeele des utilizate în prelucrarea unor piese complexe. orma prelucrată prin eroziune este determinată de forma

6 6 ELEMENTE DE TEHNOLOGIA MATERIALELOR -1 electrodului Prelucrare prin aşchiere Prelucrările prin aşchiere sunt operaţii de desprindere de material sub formă de aşchii, dintr-o piesă, cu scopul de a se obţine forma, dimensiunile şi calitatea suprafeţei prelucrate, impuse prin desen, prin model sau alte indicaţii [2]. Burghierea este operaţia de prelucrare prin aşchiere executată manual sau mecanic (la maşina de găurit sau la strung) cu ajutorul burghiului a asupra semifabricatului b. În general semifabricatul rămâne imobilă şi scula execută mişcarea de rotire 1 şi de avans 2 (ig ). erăstruirea este prelucrarea prin aşchiere executată manual sau mecanic cu ajutorul pânzei de ferăstrău (ig )(a-ferăstrău; b-piesă; 1,2 mişcări executate). ig ig Polizarea este prelucrarea prin aşchiere executată mecanic (la polizor) cu ajutorul unei pietre de polizor a asupra unei piese b cu scopul de curăţi sau a fasona piesele brute. Nu se urmăreşte o precizie dimensională a suprafeţei. Piatra de polizor execută mişcarea de rotaţie iar piesa mişcarea de tarnslaţie (ig ). ig Rectificarea este prelucrarea prin aşchiere executată mecanic (în general la

7 1.6. Lipirea 7 maşini de rectificat) cu ajutorul unui corp abraziv. Mişcarea principală de rotaţie 1 este executată de corpul abraziv a iar mişcarea secundară de rotaţie 2 de către piesa b. Mişcarea rectilinie 3 este executată fie de piesă fie de către sculă (ig ). ig iletarea este prelucrarea prin aşchiere executată manual sau mecanic la strung, maşină de găurit, maşină de frezat filet, maşină de filetat) cu ajutorul unui cuţit, pieptene de filet, freză, tarod, filieră pentru obţinerea unui filet pe suprafaţa exterioară sau interioară a unei piese (ig ) [2]. Piesa execută mişcarea de rotaţie 1 iar scula mişcările 2 şi 3. ig Lipirea Lipirea este procesul tehnologic de îmbinare la cald a două piese metalice - numite metale de bază - aliate în stare solidă, cu ajutorul unui metal de ados topit, numit aliaj pentru lipit. Aliajul pentru lipit întrebuinţat are întotdeauna o temperatură de topire mai joasă cu cel puţin 50 0 C - decât a metalelor de bază. În timpul lipirii se produce o dizolvare şi difuzie reciprocă între metalele de bază şi aliajul pentru lipit care trebuie să dizolve bine metalele de bază, să se întindă uşor pe suprafaţa lor şi să adere cât mai bine de aceasta. În plus, aliajul pentru lipit trebuie să îndeplinească şi unele condiţii economice: să fie ieftin şi uşor de obţinut. Procedeele de lipire pot fi clasificate după mai multe criterii:

8 8 ELEMENTE DE TEHNOLOGIA MATERIALELOR după temperatura de topire: a) lipire moale aliajele de lipit au temperatura mai mică de C (de obicei sub C) aliaje pe bază de staniu, plumb, cadmiu, indiu, zinc ş.a.. luxurile au rolul de a proteja metalul de bază şi aliajul pentru lipit împotriva oxidării, să reducă oxizii, să contribuie la aderenţa marginilor cu aliajul pentru lipit şi să îmbunătăţească acoperirea suprafeţei pieselor. luxurile des utilizate sunt sub forma: compuşilor organici - colofoniul (sacâzul), stearina etc. compuşilor neorganici - acidul clorhidric, clorura de amoniu (ţipirig), clorura de zinc. După lipire fluxurile neorganice terbuie îndepărtate de pe suprafaţa metalului deoarece pot produce o coroziune rapidă. b) lipire tare aliaje de lipit cu temperatura de topire mai mare de C (de obicei peste C) aliaje pe bază de cupru, aluminiu, zinc, aur, argint, platină ş.a. luxurile utilizate sunt: boraxul, acidul boric, fluoruri, cloruri etc. sub formă de praf, pastă, soluţii lichide. după forma îmbinării în: a) lipire prin depunere, la care aliajul de lipit este introdus în rostul îmbinării; b) lipire capilară, la care aliajul de lipit pătrunde singur în rostul îmbinăriiprin fenomenul de capilaritate. după modul de încălzire al pieselor metalice în: a) lipire cu încălzire locală, pentru care are loc numai o încălzire parţială a pieselor în jurul îmbinării (recomandabilă pentru piese mari); b) lipire cu încălzire parţială când se încălzeşte întreaga piesă (recomandabilă pentru piese de dimensiuni mici). În ig se prezintă modul de realizare a îmbinării cap la cap prin lipire la cablurile optice pe suport metalic [5]. Se consideră în general că orice abatere a caracteristicilor unei lipituri de la cele ale unei conexiuni prin lipire ideale poate fi considerată ca defect. Principalele defecte, uşor vizibile, se pot include în următoarele: defecte de formă (de ex. punţi, stalactite etc.). Punţile realizate la o conexiune prin lipire, apar atunci când surplusul de aliaj de lipit conduce la formarea unei conexiuni electrice nedorite cu alte terminale. Se consideră un defect major. Stalactitele se datorează excesului de aliaj, se prezintă sub forma unei prelungiri conice şi se consideră un defect major doar dacă prin forma lor conduc la atingerea accidentală a altor terminale. defecte de aspect (umectare necorespunzătoare etc.); defecte datorate fabricaţiei sau prelucrării cablajelor imprimate (exfoliere, găurire necorespunzătoare etc.). Tensiunile interne rezultate în material în urma prelucrărilor constituie punctual de plecare al unor defecte prin oboseală ale îmbinărilor lipite. Aceasta impune să se dea o atenţie deosebită acestui aspect. defecte de montaj (terminale scurte ale componentelor etc.);

9 1.6. Lipirea 9 alte defecte. Lipiturile false constau în neîndeplinirea rolului acesteia (mecanic şi electric) cu toate că aspectul său pare normal. Acest lucru se datorează fie unei inserţii incorecte a terminalului (ig a), fie că terminalul este prea scurt (ig b). Lipiturile reci constituie un defect major dar remedierea lor este simplă. Suprafaţa acestor lipituri este cu asperităţi. Cauza acestei lipituri este cantitatea de căldură insufficient aplicată. Lipiturile galbene îşi au numele din îngălbenirea lipiturii. Cauza acestui efect are la bază peliculele de flux rămase pe suprafaţa lipiturii. Îngălbenirea lipiturii se poate realiza şi datorită unei temperaturi de lucru prea ridicate care conduce la formarea unui oxid de Sn. Se consideră un efect minor. Tub de protecţie Conector în V Suport Adeziv Arc lamelar în V ig

10 ELEMENTE DE TEHNOLOGIA MATERIALELOR -1 a) b) ig Wraparea Deşi conexiunile prin lipire deţin ponderea principală, în aparatura electronică se mai utilizează şi alte tipuri de conexiuni: conexiunea prin wrapare care constă în înfăşurarea conductorului de conexiune cu secţiune circulară, dezizolat pe porţiunea de torsadare, în jurul unui pin. Aspecte prin modul de realizare a unei astfel de îmbinări sunt prezentate în ig (1-fir izolat; 2-fir dezizolat; 3-pin de conectare; 4-muchie de referinţă): conexiune regulată (ig a), conexiune modificată (ig b). Muchiile pinului, fiind puternic presate în procesul de asamblare, determină imprimarea unor crestături în pelicula de oxid a conductorului ce se înfăşoară şi rezultă un contact de asamblare prin solicitări elastice în cele două părţi componente ale asamblării. Îmbinarea este practice un contact metal metal de presiune mare. Asamblarea oferă astfel continuitate electrică şi stabilitate mecanică. Avantajele îmbinărilor prin wrapare sunt: densitate mare de conexiuni, conectare fiabilă fără degajare de ăldură şi gaze, stabilitate electrică şi mecanică etc. Dezavantajele acestui tip de îmbinare constau în imposibilitatea reutilizării conductorului de conexiune, pinii permit cel mult 25 de wrapări, nu se poate wrapa un conductor multifilar, la frecvenţă de peste 0 MHz capacitatea şi inductivitatea parazită devin semnificative, etc. Pinii ce se wrapează sunt din cupru sau aliaje de cupru cu beriliu, siliciu, nichelzinc şi, în cazuri speciale, din oţel inoxidabil. În general pinii sunt protejaţi prin acoperire galvanică cu aur. Conductorul de wrapare este din cupru sau aliaje ale acestuia (cu cadmiu, cadmiu crom). Operaţia de wrapare este executată manual, semiautomat sau automat. Pistolul de wrapare este cel mai utilizat utilaj. Operaţia de wrapare constă din patru faze: 1. se îndepărtează izolaţia de pe conductorul de conexiune pe o lungime impusă de parametrii conexiunii ce urmează a se realiza; 2. capătul liber al conductorului dezizolat este agăţat în crestătura terminalului de wrapare (ig a); 3. pistolul este poziţionat cu orificiul terminalului de wrapare peste pinul conexiunii de realizat (ig b, e); 4. se comandă rotirea terminalului pistolului, înfăşurând astfel firul (ig c, d, f).

11 1.8. Alte procedee de realizare a conexiunilor electrice 11 ig e f ig Realizarea semiautomată sau automată a conexiunii asigură desfăşurarea tuturor celor 4 faze descrise anterior Alte procedee de realizare a conexiunilor electrice conexiunea prin sudură conduce la îmbinări rezistente mecanic. În funcţie de aplicaţia curentă se poate utiliza: sudare prin rezistenţă electrică, cu laser, cu fascicol de electroni, cu ultrasunete; conexiunea prin sertizare se realizează prin ataşarea presare şi deformare a unui element de conectare de tip papuc la capătul conductorului de conexiune, cu

12 12 ELEMENTE DE TEHNOLOGIA MATERIALELOR -1 ajutorul unor cleşti speciali sau a unor echipamente automate (ig ). Aspectul unei conexiuni este prezentată în ig a, diverse tipuri de papuci de sertizare în ig b şi secţiuni ale unor conexiuni în ig c. O conexiune sigură presupune utilizarea unor profile ale elementelor de conectare adecvate secţiunii conductorului. ig conexiunea de tip termopunct se realizează prin ataşarea firului de conexiune dezizolat la un pin de secţiune dreptunghiulară, prin intermediul unei capse speciale aplicată manual sau automat (ig : a - secţiune printr-o conexiune de tip termopunct; b vedere laterală a conexiunii; 1 mănunchi de fire dezizolate şi deformate prin presare; 2 support isolator; 3 pin de conectare; 4 arc lamelar curbat de presiune; 5 distanţiere). ig conexiunea mecanică şurub piuliţă este mai puţin utilizată în construcţia echipamentelor electronice datorită în special rezistenţelor electrice de contact destul de ridicate. Conexiunea este recomandată şi este extrem de fiabilă pentru

13 1.8. Alte procedee de realizare a conexiunilor electrice 13 echipamente ce funcţionează la tensiuni şi curenţi mari. Un aspect al acestei conexiuni este prezentat în ig şi ig conductor clemă conductor clemă ig clemă conductor suport clemă conductor clemă ig Valori ale ratelor de defectare ale unor conexiuni utilizate în aparatura electronică sunt prezentate în Tab [3]. O comparaţie între fiabilitatea diferitelor tipuri de conexiuni pe baza datelor experimentale este prezentată în Tab [3]. Tab Tipul conexiunii Lipire manuală Lipire automată Sudură electrică Sertizare Wrapare Rata defectărilor λ [h -1 ]

14 14 ELEMENTE DE TEHNOLOGIA MATERIALELOR -1 Tab Tipul conexiunii Valoarea ratei de defectare λ [h -1 ] Conexiuni prin lipire Calculatoare (echipament staţionar) 9 4 Echipament electronic staţionar Echipament electronic naval Echipament electronic aeronave Conexiuni prin sudură electrică Echipament electronic staţionar Echipament electronic aeronave Conexiune prin sertizare Echipament electronic staţionar Conexiuni prin wrapare Echipament electronic staţionar Durata testării (conexiune x ore de funcţionare) Valorile ratelor de defectare a conexiunilor prin lipire sunt relativ coborâte. Cu toate acestea ponderea defectărilor datorate conexiunilor prin lipire este suficient de ridicată din cauza numărului ridicat de lipituri din echipamentele electronice. Solicitările mecanice vibraţii, şocuri, acceleraţii etc. la care sunt supuse echipamentele electronice influenţează nefavorabil fiabilitatea conexiunilor prin lipire Sudarea Sudarea este o metodă de îmbinare nedemontabilă a două corpuri solide, cu compoziţii apropiate, prin stabilirea, în anumite condiţii de temperatură şi presiune, a unor forţe de legătură între atomii marginali ai celor două corpuri de îmbinat [1]. Procedeul se poate realiza cu sau fără material de adaos. Sudabilitatea metalelor este o proprietate a acestora care defineşte capacitatea lor de a realiza îmbinări nedemontabile care să corespundă condiţiilor impuse de exploatare. Pentru oţeluri o sudabilitate bună se asigură pentru un conţinut de până la % C. Dintre fonte, sunt sudabile numai cele cenuşii. Cuprul se sudează bine dacă nu conţine O 2 mai mult de 0.04 % [3.1]. Alama şi bronzul se sudează greu. Aluminiul şi aliajele sale se sudează greu datorită oxidării metalului topit şi conductivităţii termice mari. Se sudează bine nichelul şi aliajele sale. Sudarea la rece se aplică pentru îmbinarea materialelor suficient de plastice la

15 1.8. Alte procedee de realizare a conexiunilor electrice 15 temperaturi joase: aluminiu, cadmiu, plumb, alamă, zinc. Presiunea se aplică brusc sau progresiv. Presiunile utilizate depind de perechea de material de îmbinat: de la N /mm 2 pentru Pb Pb la 550 N/ mm 2. Sudarea cu arc electric poate fi directă sau indirectă. La metoda directă un electrod se identifică prin piesa de sudat iar cel de-al doilea electrod este bara metalică ce amorsează arcul electric. (ig ). Varianta indirectă are la bază încălzirea prin radiaţie a piesei de la cei doi electrozi bare metalice. Arcul electric se stabileşte prin aplicarea între electrozi a unei tensiuni care determină ionizarea aerului din jurul acestora. Electrodul de sudură are miezul din oţel iar învelişul are la bază o componentă dominantă cu un amestecat din diverse pulberi şi constituie fluxul dezoxidant. Prin acest procedeu se realizează contacte electrice din argint oxid de cadmiu, cupru tungsten sau alte materiale refractare pe suport din cupru, realizarea termocuplelor etc. electrod bară metalică ig Sudarea prin presiune este un procedeu extrem de răspândit. În cadrul acestui procedeu sudarea în puncte este cel mai utilizat procedeu în construcţia echipamentelor electronice. Procedeul se realizează în general la trecerea unui current electric de valori ridicate printr-un contact, încălzirea acestuia la temperaturi înalte şi răcirea sub presiune (ig ). Se sudează simultan unul sau mai multe puncte. electrod electrod ~ ~ electrod ig

16 16 ELEMENTE DE TEHNOLOGIA MATERIALELOR -1 Schema de principiu a sudării în relief este prezentată în ig Punctele sudate se realizează simultan, curentul trecând între piese prin proeminenţele realizate pe una dintre ele. electrod ~ electrod ig Sudarea cu energie înmagazinată este utilizată în cazurile în care este necesară o definire precisă a energiei consumate la sudarea fiecărui punct (ig ). azele de funcţionare ale instalaţiei sunt: 1. încarcarea condensatorului C ataşat schemei pe perioada când întrerupătorul K este deschis şi condensatorul este conectat la o sursă de current continuu; 2. descărcarea condensatorului (când K este închis) peste înfăşurarea primară a transformatorului de sudare. Pe parcursul desfăşurării procesului de sudare cele două piese sunt presate cu forţa. Tr K C ~ ig Sudarea în linie este un procedeu care se realizează în acelaşi mod cu sudarea

17 1.8. Alte procedee de realizare a conexiunilor electrice 17 în puncte. Deosebirea constă în forma electrozilor care se materializează sub aspectul unei role (ig ). Cordonul de sudură este uniform şi continuu. electrod rola electrod rola ~ a b ig Sudarea prin presiune cu încălzire prin inducţie, cu încălzire prin frecare sunt alte metode folosite. Principiul de realizare a sudării prin presiune la rece şi vibrare cu ultrasunete este prezentat în ig Presiunea asupra pieselor se aplică prin intermediul unei scule care este în acelaşi timp şi sonotrod (produce undele ultrasonice). Suprapunerea vibraţiilor create peste presiunea exercitată asigură energia necesară realizării sudării. sonotrod ig Procedeul de sudare este extins pe scară largă pentru îmbinarea cablului flexibil plat la un terminal, la îmbinarea terminalelor conductorilor izolaţi în industria calculatoarelor electronice, la îmbinarea conexiunilor izolate etc.

18 18 ELEMENTE DE TEHNOLOGIA MATERIALELOR -1 În ig , se prezintă soluţia principială de sudare a conexiunilor izolate. Un electrod alimentat în c.a. este utilizat topirea şi evaporarea izolaţiei conductorului. Pe măsură ce materialul izolant se evaporă, rezistenţa electrică scade brusc iar între electrozii 1 şi 3 realizându-se sudura dorită. 1 3 c.a. c.c. terminal 2 conductor izolatie ig Se pot suda componentele electronice pe circuitele imprimate cu un substrat flexibil din sticloepoxid şi nichel depus electrochimic. Industria electronică utilizează şi alte metode de obţinere a căldurii necesare pentru realizarea sudării. Se pot aminti astfel: Laserul. Energia fasciculului luminos este convertită în energie termică la suprafaţa pieselor de îmbinat, spotul luminos fiind focalizat la 0,0025 0,5 mm diametru. Energia este reglată prin puterea debitată de sursa de alimentare şi dimensiunea spotului. asciculul de electroni. Metoda permite o densitate de 2-3 suduri / mm 2. Procedeul se utilizează la asamblarea componentelor active şi pasive, la îmbinarea metalelor refractare, a beriliului, aliajelor de titan etc Bibliografie [3.1] Nanu, A., Tehnologia materialelor, Ed. Didactică şi Pedagogică, Bucureşti, 1977 [3.2] Georgescu, G.S., Îndrumător pentru ateliere mecanice, Editura Tehnică, Bucureşti, 1978 [3.3] Bacivarof, I.C., Conexiuni prin lipire în aparatura electronică, Editura Tehnică, Bucureşti, 1984 [3.4] ***, Mechanical Splicer for Optical Waveguides, Siemens Aktiengesellschaft, no. A4 5050